动力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

运动学

速度
v = v0 + a·t
位移
s = v0·t + ½·a·t²
不含时间
v² = v0² + 2·a·s
单位
1 m/s = 3.6 km/h

方法

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
t (s)v (m/s)1.1 s27.78

一位以 100 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.1 s,之后汽车以 7.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 100 km/htr = 1.1 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 3.4 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

ttotal = 3.4 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
15 kg35°F = 120 Nμ = 0.3

一个 15 kg 的雪橇被一根与水平方向成 35° 向上的绳子以 120 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 15 kgF = 120 Nθ = 35°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5 kg3 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 5 kgm2 = 3 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?25°R = 150 m

一个球从水平地面以与水平方向成 25° 的角度抛出,落在 150 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 25°R = 150 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 30 m/s40°x = ?

一个球 从 30 m 高的悬崖顶上以高于水平面 40° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 30 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 30 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 30 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。速度超过多少 vmax 时,车轮会在顶部离开路面?

r = 30 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1 mv = 5.5 m/s

一个 0.3 kg 的小球系在长 1 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 5.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.3 kgr = 1 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
54 km/h5°800 kg

一辆 800 kg 的汽车以恒定的 54 km/h 驶上 5° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 450 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 800 kgθ = 5°Fr = 450 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
F = 20 N20°μ = 0.32 kg

一个 2 kg 的物块从 20° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 20 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.3。求物块沿斜坡向上移动 7 m 后的速度 v。

m = 2 kgF = 20 Nθ = 20°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1.5 kgv = ?20 gh = 9 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 1.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 9 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 1.5 kgh = 9 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
12 m/s17 m/s

一个 0.15 kg 的小球以 12 m/s 撞到墙上,并以 17 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.15 kgvin = 12 m/svout = 17 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 2500 rpmP = 169 kW

一根轴在 2500 rpm 时传递 169 kW。求轴中的转矩 T。

P = 169 kWn = 2500 rpm
T = N·m
14.刚体转动困难
θ = 40°as = 3 m

一个薄圆环沿与水平面成 40° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 3 m 需要多长时间 t?

θ = 40°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 3 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 80 mmd2​ = 200 mm2880 rpmT1​ = 1000 NT2​ = 300 NP = ?

一条皮带绕在一个以 2880 rpm 转动、直径 80 mm 的主动轮上。紧边张力为 1000 N,松边张力为 300 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 80 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1000 NT2 = 300 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
A = 30B = 45C = 18D = 48

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(30 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(18 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(48 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1450 rpmA = 30B = 45C = 18D = 48
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.55 s

一个连在 k = 250 N/m 弹簧上的 1.9 kg 物体被沿正方向拉开 15 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.55 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 1.9 kgk = 250 N/mA = 15 cmt = 0.55 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
mk = 320 N/mA = 14 cmx = 8 cm

一个连在 k = 320 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 14 cm 的振幅振动。 求物体距平衡位置 8 cm 时弹簧中储存的能量 U。

k = 320 N/mA = 14 cmx = 8 cm
U = J
19.机械振动中等
k = 100 kN/mζ = 0.45m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块挂在刚度为 100 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.45。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 10 kgk = 100 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 25m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 20 kN/m,下弹簧 k₂ = 25 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 10 kgk1 = 20 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 82 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

单位

v₀ = 100/3.6 = 27.78 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 27.78·1.1 = 30.56 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·7.5) = 51.44 m

合计

d = 30.56 + 51.44 = 82 m

答案

d = 82 m
2.运动学

答案: d = 51.78 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(3.4 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1166 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1166))/(2·4.905) = 3.249 s

深度

d = ½·9.81·3.249² = 51.78 m

答案

d = 51.78 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.987 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 147.2 − 120·sin 35° = 78.32 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 98.3 − 23.5
a = 74.8/15 = 4.987 m/s²

答案

a = 4.987 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 20.23 N

牛顿第二定律:物体所受的合力等于其质量乘以加速度,ΣF = m·a。画出受力图,沿运动方向选定正方向,把该方向上的所有力相加:外加的力、与运动方向相反的摩擦力 μ·N,以及重力的分力。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (29.43 − 4.905)/8 = 3.066 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 5·3.066 + 4.905 = 20.23 N

答案

T = 20.23 N
5.抛体运动

答案: v0 = 43.83 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·150/sin 50°) = 43.83 m/s

答案

v0 = 43.83 m/s
6.抛体运动

答案: x = 117.8 m

抛体运动:无空气阻力时,x = vxt,y = h + vyt − ½gt²。两个方向相互独立,只共享同一时间。

分解初速度

水平速度保持不变;竖直运动具有向下的恒定加速度 g = 9.81 m/s²。

vx = v0·cos θ = 30·cos 40° = 22.98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 40° = 19.28 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 30 + 19.28·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19.28 + √(371.9 + 588.6))/9.81 = 5.125 s

水平距离

x = vx·t = 22.98·5.125 = 117.8 m

答案

x = 117.8 m
7.圆周运动

答案: vmax = 17.16 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

法向力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·30) = 17.16 m/s

答案

vmax = 17.16 m/s
(61.76 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 12.02 N

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 0.3·9.81 + 0.3·5.5²/1 = 2.943 + 9.075 = 12.02 N

答案

T = 12.02 N
9.功和能

答案: P = 17.01 kW

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。 功率等于力乘以速度:P = F·v。

驱动力

m·g = 800·9.81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 5° = 684 N
F = 684 + 450 = 1134 N

功率

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1134·15 = 17010 W = 17.01 kW

答案

P = 17.01 kW
10.功和能

答案: v = 7.37 m/s

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

沿斜面方向的力

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
mg·sin θ = 6.71 N
μ·mg·cos θ = 5.531 N

功–能关系

½mv² = (20 − 12.24)·7 = 54.31 J
v = √(2·54.31/2) = 7.37 m/s

答案

v = 7.37 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 101 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.09) = 1.329 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 1.5)·1.329/0.02 = 101 m/s

答案

v = 101 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 108.7 N

动量守恒:碰撞过程中若没有外力作用,碰撞前的总动量 Σm·v 等于碰撞后的总动量。速度有方向,所以要选定正方向,反方向的速度取负号。弹性碰撞中动能也守恒;完全非弹性碰撞中物体粘在一起运动。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.15·(17 + 12) = 4.35 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 4.35/0.04 = 108.7 N

答案

Favg = 108.7 N
13.刚体转动

答案: T = 645.5 N·m

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

角速度

ω = 2π·2500/60 = 261.8 rad/s

扭矩

T = P/ω = 169000/261.8 = 645.5 N·m

答案

T = 645.5 N·m
14.刚体转动

答案: t = 1.38 s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 40°/2 = 3.153 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·3/3.153) = 1.38 s

答案

t = 1.38 s
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 8.445 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

皮带速度

v = 12.06 m/s

功率

P = (1000 − 300)·12.06 = 8445 W = 8.445 kW

答案

P = 8.445 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 362.5 rpm

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

第一级

nB = 1450·30/45 = 966.7 rpm = nC

第二级

nout = 966.7·18/48 = 362.5 rpm

答案

nout = 362.5 rpm

总传动比 = 4 : 1

17.弹簧与单摆

答案: x = 15 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

角频率

ω = √(250/1.9) = 11.47 rad/s
ω·t = 11.47·0.55 = 6.309 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 15·cos(6.309) = 15 cm

答案

x = 15 cm
18.弹簧与单摆

答案: U = 1.024 J

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

总能量

E = ½·k·A² = ½·320·0.14² = 3.136 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·320·0.08² = 1.024 J

答案

U = 1.024 J
19.机械振动

答案: fd = 14.21 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

无阻尼固有频率

ωn = √(100000/10) = 100 rad/s
fn = 100/(2π) = 15.92 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 15.92·√(1 − 0.45²) = 14.21 Hz

答案

fd = 14.21 Hz
20.机械振动

答案: fn = 5.305 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

等效刚度

串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/20 + 1/25 → keq = 20·25/(20 + 25) = 11.11 kN/m

固有频率

ωn = √(11111/10) = 33.33 rad/s
fn = 33.33/(2π) = 5.305 Hz

答案

fn = 5.305 Hz

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